Политех в Сети

Сайт для Учебы

4.9. Принцип Фурье-спектроскопии

Рейтинг пользователей: / 0
ХудшийЛучший 

Фурье-спектроскопия — метод оптической спектроскопии, который особенно эффективен для ИК-области спектра слабых источников, когда применяются малочувствительные приёмники с большими шумами.

Получение спектров происходит в два приёма: сначала регистрируется интерферограмма исследуемого излучения, а затем производят её Фурье-преобразование.

Интерферограмму можно, например, получить с помощью интерферометра Майкельсона, который настраивается на получение в плоскости выходной диаграммы колей равного наклона.

При поступательном перемещении одного из зеркал интерферометра изменяется разность хода D лучей в плечах интерферометра. В процессе изменения разности хода исследуемое излучение модулируется. Действительно:

Пусть подвижное зеркало M1 интерферометра (рис. 1) перемещается с постоянной скоростью V. Тогда разность хода между двумя интерферирующими лучами будет изменяться по закону:

Если источник имеет монохроматическое излучение, то интенсивность света, попадающего на фотоприёмник D, изменяется по закону:

(1)

Интенсивность, а вместе с нею и сигнал приёмника, оказываются промодулированными с частотой

Важно, что частота модуляции зависит от оптической частоты w монохроматического излучения. Измеряя W, можно найти w, т. е. получить информацию о спектре источника.

Биения интенсивности попадающего в приёмник света можно интерпретировать, как результат нестационарной интерференции двух когерентных волн с близкими частотами: волны с частотой w, отражённой неподвижным зеркалом M2 и волны, отражённой движущимся зеркалом M1, частота которой вследствие эффекта Доплера изменилась на Dw:

, т. к.

, ,

При освещении интерферометра немонохроматическим светом со спектральной плотностью I(w) каждая монохроматическая составляющая даёт в сигнал вклад, определяемый формулой (1). Полный сигнал находится интегрированием по всем частотам:

(2)

Сигнал с приёмника поступает дальше на широкополосный усилитель переменного тока. Первое слагаемое, не зависящее от времени, не пропускается усилителем. И сигнал на выходе F(T) пропорционален второму слагаемому, которое можно представить как фурье-образ функции I(w):

Притом каждая фурье-компонента, соответствующая частоте W = 2wV/C, пропорциональна интенсивности спектральной компоненты на частоте w, т. е. спектр источника трансформируется в спектр тока приёмника — от оптических частот на низкие частоты модуляции интенсивности, т. к. C > > V, то W < < w.

Искомая функция I(w) распределения энергии по частотам выражается через наблюдаемую функцию F(T) с помощью обратного преобразования Фурье:

(3)

Таким образом, для получения искомого спектрального распределения исследуемого излучения нужно провести соответствующее преобразование Фурье (3) наблюдаемого сигнала, чем и обусловлено название метода.

Для выполнения этой операции используются быстродействующие ЭВМ. Интерферограмма записывается в виде ряда (массива) цифр, соответствующих дискретным значениям интенсивности излучения при изменении разности хода D от 0 до DMax (или от – DMax до + DMax) с заданным шагом. Такой массив вводится в память ЭВМ, которая с помощью фурье-преобразования вычисляет спектр в течение от нескольких секунд до нескольких часов в зависимости от сложности спектра и числа значений в массиве (от 102 до 106 в разных приборах).

Кроме интерферометра, усилителя и ЭВМ Фурье-спектрометр имеет осветитель, приёмник излучения, систему отсчёта D, аналого-цифровой преобразователь.

Сложность получения спектров на Фурье-спектрометре перекрывается его преимуществами над другими спектральными приборами.

1. С помощью Фурье-спектрометра при использовании фотоэлектрических приёмников можно одновременно регистрировать весь спектр.

2. В интерферометре допустимо входное отверстие больших размеров, чем щель спектральных приборов с диспергирующим элементом такого же разрешения.

Эти преимущества позволяют уменьшить время регистрации спектров, уменьшить отношение сигнал-шум, повысить разрешение и уменьшить габариты прибора.

Наличие ЭВМ в приборе позволяет кроме вычисления спектра производить другие операции по обработке полученного экспериментального материала, осуществлять управление и контроль работы самого прибора.

Надо отметить, что преимущества метода реализуются лишь в инфракрасной области, особенно далёкой. Т. к. на приёмник одновременно с модулированной частью излучения попадает и немодулированная, то на выходе возрастает уровень шумов. И если в коротковолновой части спектра шум определяется полным световым потоком, то для малочувствительных детекторов ИК-излучения основной шум обусловлен собственными шумами детектора и в широких пределах не зависит от падающего на приёмник излучения.

Фурье-спектрометры обычно используются там, где другие методы малоэффективны или вовсе неприменимы. Например, спектры в ближней ИК-области некоторых планет были зарегистрированы в течение нескольких часов. На приборе с диспергирующим элементом пришлось бы потратить несколько месяцев.

Малогабаритные Фурье-спектрометры были использованы при исследованиях из космоса околоземного пространства и земной поверхности в ближней ИК-области.

Примеры на рис. 2.